Le rhénium est synthétisé dans les étoiles principalement par le processus r (capture rapide de neutrons) qui se produit lors d'événements cataclysmiques comme les supernovae et les fusions d'étoiles à neutrons. En tant qu'élément lourd avec un numéro atomique impair (Z=75), il est produit moins efficacement que ses voisins pairs (tungstène-74 et osmium-76) selon la règle d'Oddo-Harkins. Le rhénium présente une contribution significative du processus s (capture lente de neutrons) qui se produit dans les étoiles AGB (géantes asymptotiques), mais la contribution du processus r domine, estimée à 70-80% de son abondance solaire.
L'abondance cosmique du rhénium est d'environ 5,0×10⁻¹³ fois celle de l'hydrogène en nombre d'atomes, ce qui en fait l'un des éléments naturels les plus rares, comparable à l'or et au platine, et environ 10 fois plus rare que le tungstène. Sa rareté extrême s'explique par son numéro atomique impair et sa production dominante par le processus r, qui est moins fréquent que le processus s. Dans le système solaire, le rhénium est l'un des éléments les moins abondants, avec une abondance estimée à environ 0,5 ppb (parties par milliard) dans la croûte terrestre.
Le système isotopique rhénium-osmium (¹⁸⁷Re → ¹⁸⁷Os) est un outil chronologique important en géochimie et cosmochimie. Le rhénium-187 est un isotope radioactif (demi-vie de 41,6 milliards d'années) qui se désintègre en osmium-187 par désintégration bêta. L'importance de ce système vient de la différence géochimique fondamentale entre ces deux éléments : le rhénium est modérément sidérophile (préfère le métal) et chalcopyhile (préfère les sulfures), tandis que l'osmium est fortement sidérophile. Ainsi, lors de la formation du noyau terrestre et de la différenciation des corps planétaires, le rapport Re/Os varie considérablement entre le manteau et le noyau.
Le système Re-Os est utilisé pour dater une variété de processus géologiques : formation du noyau terrestre, âge des roches du manteau, métallogénie des gisements de sulfures, et origine des pétroles. Dans les météorites, les mesures Re-Os fournissent des informations sur les processus de différenciation précoce dans le système solaire. Le système est particulièrement utile pour dater les roches ultramafiques (riches en olivine) et les sulfures, qui sont difficiles à dater par d'autres méthodes. Le rapport ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os est un traceur puissant de l'évolution du manteau terrestre et de la contamination crustale.
Le rhénium tire son nom du Rhin (en latin : Rhenus), le fleuve européen qui traverse plusieurs pays dont l'Allemagne. Ce nom a été choisi par ses découvreurs, les chimistes allemands Walter Noddack, Ida Tacke et Otto Berg, pour honorer la région rhénane, une importante région industrielle et scientifique d'Allemagne. Le choix du nom suivait la tradition de nommer les éléments d'après des lieux géographiques, bien que peu d'éléments portent le nom de fleuves.
Le rhénium fut découvert en 1925 par les chimistes allemands Walter Noddack (1893-1960), Ida Tacke (qui devint plus tard Ida Noddack, 1896-1978) et Otto Berg (1873-1939) à l'Institut de physique et de technologie de Berlin. Ils analysèrent des minerais de platine et de columbite à la recherche des éléments manquants 43 (technétium) et 75 (rhénium) prédits par le tableau périodique de Mendeleïev. En utilisant la spectroscopie de rayons X, ils détectèrent les raies caractéristiques de l'élément 75 dans la columbite et l'isolement à partir de la gadolinite. En 1928, ils réussirent à extraire 1 gramme de rhénium à partir de 660 kg de molybdénite.
La première production significative de rhénium fut réalisée en 1928. Les premières applications furent limitées en raison de l'extrême rareté et du coût élevé du métal. Ce n'est qu'après la Seconde Guerre mondiale que des méthodes de production plus efficaces furent développées, principalement comme sous-produit du traitement des minerais de molybdène et de cuivre. La véritable importance industrielle du rhénium ne fut reconnue que dans les années 1950-1960 avec le développement des superalliages pour turbines à gaz.
Le rhénium est l'un des éléments naturels les plus rares sur Terre, avec une abondance crustale estimée à environ 0,7 ppb (parties par milliard). Il n'existe pas de gisements miniers de rhénium primaire ; il est toujours récupéré comme sous-produit du traitement d'autres métaux, principalement :
La production mondiale de rhénium est d'environ 50 à 60 tonnes par an. Les principaux producteurs sont le Chili (environ 50% de la production mondiale), les États-Unis, la Pologne, le Kazakhstan et l'Arménie. En raison de son extrême rareté et de ses applications stratégiques, le rhénium est l'un des métaux les plus chers, avec des prix typiques de 1 000 à 3 000 dollars par kilogramme (voire plus lors des tensions d'approvisionnement). La demande est principalement tirée par l'industrie aéronautique (superalliages) et la pétrochimie (catalyseurs).
Le rhénium (symbole Re, numéro atomique 75) est un métal de transition de la 6ème période, situé dans le groupe 7 (anciennement VIIB) du tableau périodique, avec le manganèse et le technétium. Son atome possède 75 protons, généralement 112 neutrons (pour l'isotope le plus abondant \(\,^{187}\mathrm{Re}\)) et 75 électrons avec la configuration électronique [Xe] 4f¹⁴ 5d⁵ 6s². Cette configuration présente cinq électrons dans la sous-couche 5d et deux dans la 6s, avec une sous-couche 5d à moitié remplie (5 électrons sur 10), ce qui contribue à sa stabilité.
Le rhénium est un métal blanc argenté, brillant, très dense (21,02 g/cm³), dur et possédant le troisième point de fusion le plus élevé de tous les éléments après le tungstène et le carbone. Il présente une structure cristalline hexagonale compacte (HC) à température ambiante. Le rhénium a un module d'élasticité très élevé (environ 463 GPa), une résistance à la traction élevée, et une bonne ductilité (pour un métal réfractaire). Sa conductivité électrique est modérée (environ 28% de celle du cuivre) et sa conductivité thermique est bonne.
Le rhénium fond à 3186 °C (3459 K) - le troisième point de fusion le plus élevé parmi les éléments - et bout à 5596 °C (5869 K). Il présente la plus large plage de température à l'état liquide de tous les éléments (2410 °C entre fusion et ébullition). Le rhénium conserve ses propriétés mécaniques à haute température mieux que presque tous les autres métaux, avec une bonne résistance au fluage jusqu'à des températures très élevées.
À température ambiante, le rhénium est relativement inerte et résiste à la corrosion grâce à une fine couche d'oxyde protectrice. Il ne se dissout pas dans l'acide chlorhydrique ou sulfurique dilué, mais est attaqué par l'acide nitrique concentré et l'eau régale. À haute température, il s'oxyde pour former l'heptoxyde de rhénium (Re₂O₇), un solide jaune très volatil. Le rhénium réagit avec les halogènes, le soufre, le phosphore et d'autres non-métaux à haute température.
Le point de fusion du rhénium : 3459 K (3186 °C) - 3ème plus élevé parmi les éléments.
Le point d'ébullition du rhénium : 5869 K (5596 °C).
Densité : 21,02 g/cm³ - l'un des métaux les plus denses.
Structure cristalline à température ambiante : Hexagonale compacte (HC).
Module d'élasticité : 463 GPa - très rigide.
Dureté : 7,0 sur l'échelle de Mohs.
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Désintégration / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rhénium-185 — \(\,^{185}\mathrm{Re}\,\) | 75 | 110 | 184,952955 u | ≈ 37,40 % | Stable | Isotope stable, utilisé dans certaines applications industrielles et de recherche. |
| Rhénium-187 — \(\,^{187}\mathrm{Re}\,\) | 75 | 112 | 186,955753 u | ≈ 62,60 % | 4,16×10¹⁰ ans | Radioactif bêta moins (β⁻) avec demi-vie très longue. Utilisé en géochronologie (système Re-Os). |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
Le rhénium possède 75 électrons répartis sur six couches électroniques. Sa configuration électronique [Xe] 4f¹⁴ 5d⁵ 6s² présente une sous-couche 4f complètement remplie (14 électrons) et cinq électrons dans la sous-couche 5d. Cette configuration peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(18) O(32) P(7), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d⁵ 6s².
Couche K (n=1) : contient 2 électrons dans la sous-couche 1s. Cette couche interne est complète et très stable.
Couche L (n=2) : contient 8 électrons répartis en 2s² 2p⁶. Cette couche est complète, formant une configuration de gaz noble (néon).
Couche M (n=3) : contient 18 électrons répartis en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Cette couche complète contribue à l'écran électronique.
Couche N (n=4) : contient 18 électrons répartis en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Cette couche forme une structure stable.
Couche O (n=5) : contient 32 électrons répartis en 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d⁵. La sous-couche 4f complètement remplie et les cinq électrons 5d (demi-remplie) confèrent au rhénium ses propriétés de métal de transition.
Couche P (n=6) : contient 7 électrons dans les sous-couches 6s² et 5d⁵.
Le rhénium possède effectivement 7 électrons de valence : deux électrons 6s² et cinq électrons 5d⁵. Le rhénium présente une large gamme d'états d'oxydation, de -3 à +7, avec les états +7, +6, +4 et +3 étant les plus courants et les plus stables.
Dans l'état d'oxydation +7, le rhénium perd ses deux électrons 6s et ses cinq électrons 5d pour former l'ion Re⁷⁺ avec la configuration électronique [Xe] 4f¹⁴. Cet état est représenté par des composés comme Re₂O₇ (heptoxyde de rhénium) et les perrhénates (ReO₄⁻). L'état +6 est connu dans des composés comme ReO₃ et les complexes hexahalogénures [ReCl₆]²⁻. L'état +4 est important dans des composés comme ReO₂ et ReS₂. L'état +3 et les états inférieurs sont souvent trouvés dans des complexes de coordination.
Le rhénium présente une chimie particulièrement riche en raison de cette grande variété d'états d'oxydation et de sa capacité à former de multiples liaisons avec l'oxygène, les halogènes et d'autres ligands. Les complexes de rhénium sont étudiés pour leurs propriétés catalytiques, photophysiques et médicinales. La configuration 5d⁵ à moitié remplie dans l'état atomique contribue à la stabilité de certains états d'oxydation et à la formation de composés aux propriétés magnétiques intéressantes.
À température ambiante, le rhénium est stable à l'air grâce à une fine couche d'oxyde protectrice. À haute température (au-dessus de 300 °C), il s'oxyde pour former l'heptoxyde de rhénium (Re₂O₇) : 4Re + 7O₂ → 2Re₂O₇. Re₂O₇ est un solide jaune pâle très volatil (sublime à 360 °C) et hygroscopique, qui se dissout dans l'eau pour former l'acide perrhénique (HReO₄). Contrairement à la plupart des métaux, le rhénium ne forme pas d'oxyde protecteur stable à haute température, ce qui limite son utilisation sans protection dans les atmosphères oxydantes à haute température.
Le rhénium métallique est résistant à la plupart des acides à froid :
Le rhénium se dissout dans les solutions alcalines oxydantes (comme NaOH + H₂O₂) pour former des perrhénates.
Le rhénium réagit avec les halogènes à température modérée pour former des halogénures. Avec le fluor, il forme ReF₆ (hexafluorure, liquide jaune) et ReF₇ (heptafluorure, solide jaune). Avec le chlore, il forme ReCl₅ (pentachlorure, solide brun-noir) et ReCl₃ (trichlorure, solide rouge). Le rhénium réagit avec le soufre à haute température pour former le sulfure ReS₂ (structure lamellaire similaire au graphite), avec le phosphore pour former des phosphures, et avec le carbone pour former le carbure ReC. Il forme également des siliciures, borures et nitrures.
La propriété la plus remarquable du rhénium est sa combinaison unique de propriétés mécaniques à haute température. Contrairement à la plupart des métaux qui perdent rapidement leur résistance et leur ductilité avec l'augmentation de la température, le rhénium conserve :
Ces propriétés, combinées à son point de fusion très élevé, font du rhénium un matériau idéal pour les applications à très haute température, en particulier dans les superalliages pour turbines.
L'application la plus importante du rhénium est son utilisation dans les superalliages à base de nickel pour les turbines à gaz des moteurs d'avion. Environ 70% de la production mondiale de rhénium est utilisée à cette fin. Les superalliages contenant du rhénium équipent pratiquement tous les moteurs d'avions commerciaux et militaires modernes, permettant des gains spectaculaires en performance, efficacité et fiabilité.
L'ajout de rhénium (typiquement 3-6% en poids) aux superalliages à base de nickel améliore plusieurs propriétés critiques :
Les alliages contenant du rhénium permettent :
Un moteur d'avion commercial moderne typique contient 1-2 kg de rhénium, principalement dans les aubes de turbine haute pression.
La deuxième application la plus importante du rhénium est son utilisation comme catalyseur dans le reformage catalytique, un procédé clé du raffinage du pétrole qui convertit les naphtas lourds (faible indice d'octane) en produits à haut indice d'octane pour l'essence. Environ 20% de la production mondiale de rhénium est utilisée à cette fin.
Les catalyseurs modernes de reformage sont typiquement bimétalliques, contenant du platine (0,3-0,6%) et du rhénium (0,3-0,4%) supportés sur de l'alumine chlorée. Le rhénium améliore considérablement les performances du platine en :
Les catalyseurs Pt-Re permettent :
Un réacteur de reformage typique contient plusieurs tonnes de catalyseur, avec quelques kilogrammes de rhénium par tonne de catalyseur. Les catalyseurs usés sont régénérés et recyclés, récupérant une partie du rhénium et du platine.
Les thermocouples de type W/Re (tungstène-rhénium) sont les seuls thermocouples métalliques capables de mesurer des températures jusqu'à 2300 °C. Ils utilisent des alliages de tungstène et de rhénium comme paires thermoélectriques :
Le rhénium est utilisé pour les filaments des tubes à rayons X (souvent en alliage avec du tungstène) et comme matériau de cible (anode) dans les tubes à rayons X et les dispositifs de spectrométrie de fluorescence X. Sa haute température de fusion permet des puissances plus élevées et des durées de vie plus longues.
Les alliages rhénium-molybdène et rhénium-tungstène sont utilisés pour les contacts électriques dans les interrupteurs, relais et disjoncteurs haute performance. Le rhénium améliore la résistance à l'arc électrique et réduit l'érosion des contacts.
L'isotope rhénium-188 (¹⁸⁸Re, demi-vie 17 heures) est utilisé en médecine nucléaire pour la radiothérapie. Il émet des particules bêta de haute énergie (2,12 MeV maximum) et des rayons gamma (155 keV) permettant l'imagerie. ¹⁸⁸Re est utilisé pour le traitement des cancers (foie, os) et des douleurs métastatiques. Il est produit à partir de tungstène-188 (générateur ¹⁸⁸W/¹⁸⁸Re).
Le rhénium est utilisé dans les systèmes de propulsion spatiale :
Le rhénium métallique et ses composés insolubles présentent une toxicité chimique faible à modérée. Cependant, certains composés solubles du rhénium, en particulier les perrhénates (ReO₄⁻), présentent une toxicité modérée. L'acide perrhénique (HReO₄) est corrosif. Les poussières de rhénium peuvent provoquer des irritations mécaniques. Aucun effet cancérigène n'a été clairement démontré pour le rhénium.
Les isotopes radioactifs du rhénium (comme ¹⁸⁶Re et ¹⁸⁸Re utilisés en médecine nucléaire) nécessitent des précautions de radioprotection lors de leur manipulation et utilisation. Le rhénium-187 naturellement radioactif présente une activité très faible en raison de sa demi-vie très longue (41,6 milliards d'années) et ne pose pas de risque radiologique significatif.
L'impact environnemental principal du rhénium est lié à l'extraction et au traitement des minerais de molybdène et de cuivre dont il est un sous-produit. Les procédés de flottation, lixiviation et fusion génèrent des déchets, des eaux usées et des émissions qui doivent être contrôlés. Cependant, comme le rhénium est produit en très petites quantités (quelques dizaines de tonnes par an), son impact environnemental direct est limité comparé aux métaux produits en grandes quantités.
Le rhénium est recyclé à partir de plusieurs sources :
Le taux de recyclage est estimé à 20-30%. Le recyclage est économiquement intéressant en raison du prix élevé du rhénium, mais techniquement difficile en raison des faibles concentrations dans les déchets. Les méthodes de recyclage incluent des procédés hydrométallurgiques (dissolution, extraction par solvant, échange ionique) et pyrométallurgiques.
L'exposition professionnelle au rhénium se produit principalement dans les usines de production et de recyclage, les fabricants de superalliages et de catalyseurs, et les installations utilisant des thermocouples W/Re. Les principales voies d'exposition sont l'inhalation de poussières et de fumées. Des valeurs limites d'exposition professionnelle spécifiques au rhénium ne sont généralement pas établies, mais les recommandations générales pour les poussières de métaux lourds s'appliquent.
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